Воздушные вяжущие вещества

Известь является продуктом умеренного обжига кальциево-магниевых карбонатных пород – мела, известняков, доломитизированных известняков и доломитов, содержащих не более 6% глины Al₂O₃·2SiO₂·nH₂O. Максимальная температура в зоне обжига 1000-1200°С. В результате происходит термическое разложение карбонатов кальция и магния:

СаСОз = СаО + СО₂

_{MgСОз = MgО + CO2}

и образуется пористый продукт, состоящий главным образом из оксида кальция СаО с примесями оксида магния MgO и аморфных веществ разложения глин Al₂O₃ и SiO₂.

Эти оксиды противоположны по свойствам: СаО и MgO – основные, Al₂O₃ - амфотерный, SiO₂ - кислотный, поэтому уже при обжиге известняков они способны реагировать между собой и образовывать алюминаты и силикаты кальция:

mСаО + nAl₂O₃ = mСаО·nAl₂O₃

pСаО + qSiO₂ = pСаО·qSiO₂.

Поэтому в состав извести входят также различные алюминаты и силикаты кальция.

По содержанию оксида магния воздушная известь подразделяется на маломагнезиальную, или кальциевую (содержание MgO не более 5%); магнезиальную (MgO от 5 до 20%); высокомагнезиальную или доломитовую (MgO от 20 до 40%).

Обожжённая известь имеет пористую структуру и называется комовой. Для получения из неё вяжущего материала её диспергируют гашением:

СаО + H₂O = Ca(OH)₂

негашёная гашёная

известь известь

или механическим измельчением.

Известь применяется в строительстве только в виде растворов, то есть в смеси с песком или другими заполнителями, так как вследствие большой усадки известковое тесто при высыхании растрескивается. В известковом тесте содержится значительное количество воды, поэтому кристаллы Ca(OH)₂ разделены водными плёнками. Высыхание известковых растворов вызывает постепенное сближение кристаллов Ca(OH)₂ и их последующее срастание в кристаллический сросток. Этот процесс продолжается длительное время. Прочность известковых растворов в начальные сроки твердения обеспечивает процесс карбонизации, протекающий под влиянием углекислого газа воздуха на поверхности раствора с распространением на небольшую глубину:

Ca(OH)₂ + CO₂ = СаСОз + H₂O.

Образующийся при этом карбонат кальция срастается с кристаллами Ca(OH)₂, что также упрочняет известковый раствор.

Песок облегчает доступ углекислого газа из воздуха в раствор и тем улучшает твердение извести, а также уменьшает усадку и удешевляет строительные работы.

Строительные растворы на воздушной извести характеризуются низкой прочностью вследствие высокой пористости. Так, например, образцы из растворной смеси (известковое тесто + песок) жёсткой консистенции через 28 суток твердения имеют предел прочности при сжатии 5-10 кгс/см².

Долговечность известковых растворов зависит от вида извести и условий её твердения. Известковые растворы и бетоны - вполне воздухостойкие материалы. В воздушно-сухих условиях создаются наиболее благоприятные условия для их упрочнения вследствие карбонизации гидроксида кальция углекислым газом. Во влажных условиях известковые строительные растворы, отвердевшие в обычных температурных условиях, постепенно теряют прочность и разрушаются. Разрушение происходит особенно быстро, если растворы то замерзают, то оттаивают. Чем активнее в известковых растворах прошли процессы карбонизации извести, тем они более водостойки и морозостойки.

Известково-песчаные бетоны автоклавного твердения, особенно изготовленные на молотой негашёной извести, характеризуются высокой водо- и морозостойкостью. В этом отношении они практически равноценны бетонам на цементах.

При твердении известково-песчаной смеси происходит также взаимодействие гидроксида кальция Ca(OH)₂ с оксидом кремния SiO₂(IV), составляющим основу песка, и образуются гидросиликаты кальция:

Са(ОH)₂ + SiO₂ + (n-1)H₂O = СаО·SiO₂·nH₂O.

При обычных температурах этот процесс идёт чрезвычайно медленно (многие десятилетия), однако его можно ускорить путём тепловлажностной обработки отформованной смеси в автоклавах при температуре 174° и давлении до 9 кПа. Это даёт значительное улучшение прочности изделий.

В зависимости от химического состава извести получаются различные вяжущие материалы. Так, при содержании в ней свободных оксидов кальция и магния до 90-95%, а силикатов и алюминатов кальция не более 10% получают воздушную известь. При содержании в извести силикатов и алюминатов до 70-80% и соответственном снижении содержания СаО и MgO имеют гидравлическую известь, чем больше силикатов и алюминатов кальция содержится в извести, тем сильнее выражены её гидравлические свойства.

Твердение гидравлической извести имеет другой химизм и заключается в процессах гидратации (взаимодействия с водой) силикатов и алюминатов кальция. Скорость твердения гидравлической извести и её прочность находятся в прямой зависимости от содержания в ней силикатов и алюминатов кальция.

Гипсовые вяжущие вещества подразделяются на:

- собственно гипсовые вяжущие вещества (2СаSO₄·H₂O), которые получаются из природного минерала гипса СаSO₄·2H₂O при нагревании до 150-170°, при этом теряется ¾ содержащейся в нём кристаллизационной воды:

2(СаSO₄·2H₂O) = 2СаSO₄·H₂O + H₂O.

К собственно гипсовым вяжущим веществам относят строительный гипс и высокопрочный гипс. Будучи замешан с водой в жидкое тесто, алебастр довольно быстро затвердевает, снова превращаясь в СаSO₄·2H₂O. Применяется в качестве вяжущего материала для штукатурных работ, а также для изготовления слепков с различных предметов в медицине.

- ангидритовые вяжущие вещества, получаемые обжигом гипсового камня в условиях более высокой температуры, при которой двуводный гипс полностью теряет химически связанную воду и переходит в безводный сульфат кальция. К ангидритовым вяжущим веществам относятся ангидритовый цемент и высокообжиговый гипс.

Строительный гипс – быстросхватывающееся и быстротвердеющее вяжущее – для получения теста нормальной густоты требует значительного количества воды (60-80% от массы гипса). Избыточная вода, испаряясь, обусловливает высокую пористость гипсового камня, что предопределяет его низкую прочность и малую теплопроводность.

Высокопрочный гипс, требуя меньшего количества воды для затворения (40-45%), имеет более высокие плотность и прочность. Однако при уплотнении вибраторами жёстких гипсовых смесей строительный и высокопрочный гипсы при одном и том же водогипсовом отношении показывают примерно одинаковую прочность.

Ангидритовый цемент – медленносхватывающееся вяжущее вещество. Водопотребность ангидритового цемента меньше, чем строительного гипса, что определяет меньшую пористость и большую водостойкость затвердевшего камня.

Высокообжиговый гипс – медленносхватывающееся вяжущее. Водопотребность его колеблется в пределах 30-35%. Предел прочности при сжатии уплотнённых образцов из теста на этом вяжущем достигает 150-300 кгс/см².

Стойкость средне- и сильнопористых материалов, каковыми являются гипсовые материалы, зависит от общего водопоглощения, скорости насыщения и отдачи влаги. Высокая влагоёмкость гипсовых изделий является основной причиной их низкой водостойкости, что количественно подтверждается величиной коэффициента водостойкости.

Если же вода не только насыщает, но и фильтруется через гипсобетон, то происходит также частичное растворение некоторых составляющих с ухудшением свойств материала не только за счёт физических, но и химических процессов.

Магнезиальные вяжущие материалы получают при обжиге магнезита (каустический магнезит) или доломита (каустический доломит).

Каустический магнезит является быстротвердеющим воздушным вяжущим веществом, обладающим высокой конечной прочностью. Затворённый водными растворами солей магния, он через сутки твердения на воздухе имеет прочность на растяжение не менее 15 кгс/см², а через 28 суток – 35-45 кгс/см², прочность на сжатие до 300-500 кгс/см². В воде или влажной атмосфере прочность затвердевшего материала резко падает. При росте относительной влажности воздуха в помещении до 75-85% резко увеличивается набухание изделий, а при влажности 90-95% показатели набухания увеличиваются в несколько раз.

Каустический доломит, как и каустический магнезит, затворяется водными растворами солей хлорида магния MgCl₂ и сульфата магния MgSO₄. Прочность каустического доломита ниже, чем магнезита, и на 28 сутки твердения в воздушных условиях составляет при сжатии 150-200 кгс/см².

Затвердевший каустический доломит, как и магнезит, разрушается в воде вследствие вымывания из него растворимых солей (MgCl₂ и др.).